前 言

概況

    我國(guó)幅員遼闊，人口眾多，鐵路客車是我國(guó)旅客的主要客運(yùn)工具。隨著我國(guó)人民生活水平的提高和旅游事業(yè)的迅速發(fā)展，人們對(duì)鐵路客運(yùn)條件的要求越來(lái)越高。現(xiàn)代客車不但要保證安全高速地運(yùn)行，而且還要為旅客和車上工作人員盡可能地創(chuàng)造舒適衛(wèi)生的環(huán)境，因此，我國(guó)鐵路的各大干線上相繼開(kāi)出了全列空調(diào)客車，取得了良好的社會(huì)效益。自鐵路列車普遍實(shí)現(xiàn)提速，更加促進(jìn)了鐵路的發(fā)展，列車空調(diào)裝備及其技術(shù)將經(jīng)受更大的考驗(yàn)，對(duì)其設(shè)計(jì)制造與運(yùn)行管理提出了更高的要求。同時(shí)還要適應(yīng)更高目標(biāo)，為滿足準(zhǔn)高速與高速鐵路的需要，積極作好技術(shù)準(zhǔn)備。

    近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)在暖通空調(diào)領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。其應(yīng)用的一個(gè)重要方面，就是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)暖通空調(diào)進(jìn)行智能化監(jiān)測(cè)、控制和管理。妥善地運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)于暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制管理中，可以有效地改善系統(tǒng)運(yùn)行品質(zhì)，節(jié)省運(yùn)行能耗，提高管理水平，并減少運(yùn)行管理勞動(dòng)強(qiáng)度，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，這在國(guó)內(nèi)許多工程中都已得到證實(shí)。經(jīng)驗(yàn)表明，只有根據(jù)暖通空調(diào)工藝過(guò)程要求，結(jié)合實(shí)際的需求情況，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)，恰當(dāng)?shù)卮_定系統(tǒng)功能，明確主要需解決的問(wèn)題，才能收到投資少、效益高的效果。

課題來(lái)源

    本課題為鐵道部四方車輛研究所與青島建筑工程學(xué)院共同承擔(dān)的鐵道部重點(diǎn)課題。青島建筑工程學(xué)院暖通專業(yè)實(shí)驗(yàn)室已針對(duì)該課題為青島南車四方機(jī)車車輛股份有限公司設(shè)計(jì)了一整套列車空調(diào)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，本論文即針對(duì)其中的監(jiān)控系統(tǒng)做主要研究，從而建立起實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐的橋梁。

設(shè)計(jì)的目的

    建立本列車空調(diào)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的目的是為了檢測(cè)列車空調(diào)的性能和質(zhì)量，模擬實(shí)際列車空調(diào)的工況，記錄實(shí)驗(yàn)的測(cè)定值，為暖通專業(yè)人員提供實(shí)驗(yàn)記錄，最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)的工況，設(shè)計(jì)實(shí)際列車空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)，以提高列車的舒適度。

作者的主要工作

    這套系統(tǒng)所用軟件為北京三維力控科技股份有限公司的ForceControl 2.6版，主要模擬列車車廂和夾套的空調(diào)工況，以及設(shè)計(jì)完全針對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的溫度、風(fēng)速的實(shí)時(shí)檢測(cè)和報(bào)表系統(tǒng)。

    1. 設(shè)計(jì)列車實(shí)驗(yàn)臺(tái)車廂部分的空調(diào)送風(fēng)，溫度，濕度，壓力，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，冷、熱水盤管，加濕，排水及閥門開(kāi)度的控制和檢測(cè)系統(tǒng)；

    2. 設(shè)計(jì)列車實(shí)驗(yàn)臺(tái)夾套部分的空調(diào)送風(fēng)，溫度，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，冷、熱水盤管的控制和檢測(cè)系統(tǒng)；

    3. 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)用溫度、風(fēng)速的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)表系統(tǒng)。

第一章 實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介

1.1鐵路客車實(shí)際運(yùn)行參數(shù)

    鐵路旅客列車空調(diào)參數(shù)要求為：夏季室外氣溫35℃時(shí)，車內(nèi)應(yīng)為23℃~27℃，最高不超過(guò)29℃，相對(duì)濕度為60%~70%，冬季室外氣溫-15℃時(shí)，車內(nèi)應(yīng)為18℃~20℃，相對(duì)濕度30%~40%。要求每位旅客應(yīng)有20~25m3/h新鮮空氣，風(fēng)速在0.2m/h左右，含塵量不大于1mg/m3,還要求盡量降低噪聲，振動(dòng)等有害因素。

1.2實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介

    本實(shí)驗(yàn)室由車廂模擬間，控制室，設(shè)備間組成。車廂模擬間為一模擬實(shí)際運(yùn)動(dòng)火車車廂的鋼板箱體。鋼板厚度為3 mm；箱體尺寸：30×3.3×3.3(米)。模擬列車工況為：冬季室外溫度－20℃，車廂內(nèi)溫度18℃，相對(duì)濕度30％。夏季室外溫度35℃，車廂內(nèi)溫度25℃，相對(duì)濕度60％。車廂內(nèi)的工況通過(guò)室外冷熱水機(jī)組和室內(nèi)空調(diào)箱來(lái)保證。

    實(shí)驗(yàn)室所處實(shí)驗(yàn)室內(nèi)車廂與周圍墻體之間的空間為夾套部分，這部分相當(dāng)于火車實(shí)際運(yùn)行時(shí)的室外環(huán)境。在實(shí)驗(yàn)中如果模擬真實(shí)室外工況，難度很大，而且能耗大；另外由于鋼板傳熱系數(shù)很大，我們可近似認(rèn)為車廂內(nèi)外壁溫度一致。所以這時(shí)我們可以通過(guò)控制夾套溫度，使實(shí)驗(yàn)室車廂內(nèi)壁溫度與實(shí)際火車運(yùn)行時(shí)的內(nèi)壁溫度一致，從而達(dá)到我們模擬火車車廂內(nèi)空氣實(shí)際工況的目的。夾套內(nèi)的工況通過(guò)室外機(jī)組和風(fēng)管機(jī)室內(nèi)機(jī)組來(lái)保證。為了防止夾套通過(guò)墻壁傳熱，夾套內(nèi)壁全部貼有苯板。

    控制室在實(shí)驗(yàn)臺(tái)相鄰房間，放置各種采樣測(cè)量設(shè)備。設(shè)備間主要放置列車實(shí)驗(yàn)臺(tái)和夾套中所使用的風(fēng)機(jī)盤管、室內(nèi)空調(diào)箱、表冷器、水泵、電加熱器、Defensor MK5型加濕器、分水器、集水器等，并安裝攝像頭以監(jiān)視設(shè)備間的運(yùn)行情況。電氣設(shè)備主要有ABB變頻器系列 ACS400型和ACSl40型變頻器、KANOMAX公司的Model 1550多通道氣流分析儀、Modell504型模板、惠普HP34970A數(shù)據(jù)采集器、CHINT變壓器等。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)平面布置參見(jiàn)圖1-1

圖1-1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)平面圖

1.3實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主要設(shè)備選擇

1.3.1測(cè)量部分

    本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的測(cè)量設(shè)備包括溫度、風(fēng)速和壓力等參數(shù)的測(cè)量，主要儀器選擇KANOMAX公司的Model 1550多通道氣流分析儀、Model 1504型模板、惠普HP34970A數(shù)據(jù)采集器。

                             圖1-2 控制器窗口圖

1.3.2控制部分

ABB變頻器

    本實(shí)驗(yàn)室采用ABB變頻器系列的ACS400型和ACS140型的變頻器控制風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)道風(fēng)量的控制。ACS400型控制風(fēng)道的送風(fēng)風(fēng)量，ACS140型控制風(fēng)道的回風(fēng)風(fēng)量。

    ACS400型變頻器用于2.2-37KW鼠籠式電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩控制。在本課題中利用變頻器控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，再根據(jù)電機(jī)速度與風(fēng)道風(fēng)量的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)量的控制。

電加熱器

    本課題中采用WP系列PID自整定控制儀控制電加熱器動(dòng)作。它適用于需要進(jìn)行精度測(cè)量控制的系統(tǒng)，可根據(jù)被控對(duì)象自動(dòng)演算出最佳的PID控制參數(shù)。也可選用手動(dòng)控制方式，由用戶根據(jù)實(shí)際需要，自行設(shè)定PID控制參數(shù)。

    儀表的輸入信號(hào)為Pt100熱電阻傳感器輸出的4-20mA的電流信號(hào)，輸出量同樣為4-20mA的電流信號(hào)。測(cè)量范圍為-1999~9999字；測(cè)量精度為0.2%FS±1字或0.5%FS±1字。該儀表具有多種標(biāo)準(zhǔn)串行通訊功能，可通過(guò)RS-485串行通訊端口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊；通訊波特率300~9600bps。

電極式加濕器

    加濕器專門用于房間的直接或間接加濕。本實(shí)驗(yàn)室用Defensor MK5型加濕器控制車廂內(nèi)的溫度。

    Defensor MK5是一種產(chǎn)生非高壓蒸汽的加濕器，控制電壓380V/50~60HZ。加濕器在工作時(shí)將自來(lái)水或去離子水電離產(chǎn)生蒸汽，增加車廂內(nèi)的空氣濕度。加濕器可以用RS-232或RS-485通訊接口與上位機(jī)進(jìn)行通訊。

第二章 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1概述

    空調(diào)系統(tǒng)可以分為兩部分：車廂內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)和夾套內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)。其中車廂內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)是為了保證其要求工況。由于車廂外冬夏季模擬難度較大，而且?guī)跒橐槐′摪澹瑐鳠嵯禂?shù)大。所以本實(shí)驗(yàn)采用模擬車廂內(nèi)壁溫度的方法，在夾套內(nèi)設(shè)置空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)。從而保證車廂內(nèi)壁溫度與列車實(shí)際運(yùn)行時(shí)的內(nèi)壁溫度相同。

2.2車廂內(nèi)空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.2.1監(jiān)控要求：

    1.總開(kāi)關(guān)的啟／停
    2.根據(jù)送風(fēng)溫度，調(diào)節(jié)冷／熱水的流量，使室內(nèi)溫度保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。
    3.自動(dòng)監(jiān)測(cè)過(guò)濾網(wǎng)壓差，堵塞時(shí)報(bào)警，提示清洗過(guò)濾網(wǎng)，提高過(guò)濾效率。
    4.進(jìn)行節(jié)能控制：當(dāng)空氣質(zhì)量在許可的情況下即在保證必要的新風(fēng)量的前提下，充分利用回風(fēng)冷／熱量，對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)室外溫度與室內(nèi)溫度的設(shè)定值相近時(shí)，利用新風(fēng)對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣可以大大降低能源的消耗。
    5.空調(diào)機(jī)各設(shè)備進(jìn)行連鎖控制，當(dāng)總開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，關(guān)閉各閥、風(fēng)機(jī)。
    6.每一個(gè)設(shè)備通過(guò)彩色圖形顯示顯示不同的狀態(tài)，顯示每個(gè)參數(shù)的值，可通過(guò)控制器修改設(shè)定值，以求達(dá)到最佳工況。
    7.達(dá)到最佳的節(jié)能效果和營(yíng)運(yùn)環(huán)境。

2.2.2空調(diào)機(jī)組

    冷熱水機(jī)組選用三菱重工海爾RCU50(B)型機(jī)組兩臺(tái)。其部分參數(shù)如下：

                                表2-1

選用TRNAE廠家0805空調(diào)箱，參數(shù)如下：

                                表2-2

    空調(diào)箱組成：回風(fēng)段、新風(fēng)段、表冷段、加濕段、電加熱段、送風(fēng)段。注：機(jī)組使用回風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，在送風(fēng)段之后裝有噴嘴流量計(jì)。空調(diào)箱使用的冷媒為冷熱水機(jī)組提供的冷熱水。

2.2.3 監(jiān)控界面

    下面是各個(gè)模擬點(diǎn)的名稱和內(nèi)容，共146個(gè)

                                 表2-3

    下面是各個(gè)數(shù)字點(diǎn)的名稱和內(nèi)容，共12個(gè)

                                  表2-4

下面就是車廂監(jiān)控系統(tǒng)圖，見(jiàn)圖2-2

                      圖2-1未運(yùn)行的車廂監(jiān)控系統(tǒng)圖

                         圖2-2已運(yùn)行的車廂監(jiān)控系統(tǒng)圖

2.3夾套內(nèi)空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.3.1監(jiān)控要求

    1.總開(kāi)關(guān)的啟／停
　　2.根據(jù)送風(fēng)溫度，調(diào)節(jié)冷／熱水的流量，使室內(nèi)溫度保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。
　　3.自動(dòng)監(jiān)測(cè)過(guò)濾網(wǎng)壓差，堵塞時(shí)報(bào)警，提示清洗過(guò)濾網(wǎng)，提高過(guò)濾效率。
　　4.進(jìn)行節(jié)能控制：當(dāng)空氣質(zhì)量在許可的情況下即在保證必要的新風(fēng)量的前提下，充分利用回風(fēng)冷／熱量，對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)室外溫度與室內(nèi)溫度的設(shè)定值相近時(shí)，利用新風(fēng)對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣可以大大降低能源的消耗。
　　5.空調(diào)機(jī)各設(shè)備進(jìn)行連鎖控制，當(dāng)總開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，關(guān)閉各閥、風(fēng)機(jī)。
　　6.每一個(gè)設(shè)備通過(guò)彩色圖形顯示顯示不同的狀態(tài)，顯示每個(gè)參數(shù)的值，可通過(guò)控制器修改設(shè)定值，以求達(dá)到最佳工況。
　　7.達(dá)到最佳的節(jié)能效果和營(yíng)運(yùn)環(huán)境

2.3.2空調(diào)機(jī)組

    選用三菱重工海爾RFU25WD型風(fēng)管機(jī)兩臺(tái)，室內(nèi)機(jī)組的冷媒為室外機(jī)組的制冷劑 。其部分參數(shù)如下：

                                  表2-5

2.3.3.監(jiān)控界面

                      圖2-3未運(yùn)行的夾套監(jiān)控系統(tǒng)圖

                       圖2-4已運(yùn)行的夾套監(jiān)控系統(tǒng)圖

第三章 實(shí)驗(yàn)用溫度、風(fēng)速實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)

3.1溫度測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    本實(shí)驗(yàn)中溫度的測(cè)量?jī)x器有：水銀溫度計(jì)、測(cè)風(fēng)儀、熱電偶溫度計(jì)。水銀溫度計(jì)和測(cè)風(fēng)儀在本實(shí)驗(yàn)中為輔助性測(cè)量?jī)x器，熱電偶溫度計(jì)為主要溫度測(cè)量?jī)x器。

    水銀溫度計(jì)：該試驗(yàn)中水銀溫度計(jì)主要用于熱電偶的標(biāo)定。精度0.1℃，測(cè)量范圍－1℃至51℃。

    測(cè)風(fēng)儀可以測(cè)量溫度、速度及壓力。測(cè)量溫度的精度為0.1℃，測(cè)量范圍為1到100℃。

    熱電偶溫度計(jì)是本實(shí)驗(yàn)中主要的溫度測(cè)量?jī)x器，用于設(shè)備間、夾套、車廂內(nèi)各點(diǎn)溫度的測(cè)量。其溫度測(cè)試系統(tǒng)包括溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集